瓦斯爆炸主動式阻隔爆技術(shù)研究進(jìn)展

徐景德，田思雨，張延煒，張 亮

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院， 北京 東燕郊 065201)

0 引言

阻爆、隔爆裝置(以下簡稱阻爆裝置)是煤礦防治瓦斯爆炸事故必須配備的安全應(yīng)急裝置[1]，目前幾乎所有煤礦的阻爆裝置都是在巷道斷面上部布置巖粉棚或水槽棚。當(dāng)爆炸波經(jīng)過其區(qū)域時，爆炸波掀翻巖粉棚或者水槽棚，因爆炸波壓力的不確定性，巖粉(水槽)棚掀翻后形成的塵云(水霧)的阻爆效果具有不確定性。由于環(huán)境污染、空氣潮濕等因素影響，巖粉容易粘結(jié)、水體容易污染，需要經(jīng)常更換，否則影響阻爆效果。大量事故案例表明，阻爆棚作用的很難有效發(fā)揮作用。

巖粉棚(水槽棚)阻爆技術(shù)是由前蘇聯(lián)引進(jìn)，早期煤礦開采規(guī)模小，礦井開采區(qū)域有限，巷道系統(tǒng)簡單，而隨著技術(shù)進(jìn)步，煤礦開采規(guī)模發(fā)生了歷史性變化，生產(chǎn)能力達(dá)到500萬噸甚至1000萬噸以上礦井比比皆是，礦區(qū)面積很多超過100 km2，巷道布置日趨復(fù)雜。我國煤礦開采走過了“手工作業(yè)→炮采→普通機(jī)械化→綜合機(jī)械化采煤”四個階段，

目前已經(jīng)進(jìn)入了第五個即智能化開采階段。據(jù)統(tǒng)計， 2015年我國出現(xiàn)第一座智能化煤礦—陜西黃陵一號煤礦，到目前我國已有近300處智能化煤礦，而且大批礦井正在升格改造為智能化礦井。按照計劃，2030年我國煤礦基本上要實現(xiàn)智能化開采。煤礦智能化生產(chǎn)相關(guān)配套技術(shù)研發(fā)是煤礦今后一段時期的主要任務(wù)[2]。智能化礦井配備的人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)與設(shè)施的性能為我們研發(fā)新的阻爆技術(shù)提供了啟迪。

1 主動式阻爆技術(shù)研究的學(xué)術(shù)與技術(shù)問題

礦井瓦斯爆炸可以分為單一瓦斯爆炸、單一煤塵爆炸、瓦斯(煤塵)混合爆炸三種類型，屬于爆炸物質(zhì)伴隨誘導(dǎo)沖擊波在瓦斯(煤塵)/空氣混合物中傳播的爆燃現(xiàn)象，通常發(fā)生在受限管道并伴隨著沖擊波和火焰的非定常傳播。與原理性實驗相比(直徑<2002 mm)，礦井幾何約束較弱，除局部形成沖擊波匯聚外，難以形成爆轟[3,4]。阻爆彈主動式阻爆技術(shù)研究所涉及的學(xué)術(shù)與技術(shù)問題有：

問題1：瓦斯爆炸沖擊波和阻爆設(shè)施相互作用的物理機(jī)制。阻爆過程及效果是力學(xué)經(jīng)典問題，爆炸沖擊波傳播路線上存在其他介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)為中性或者惰性介質(zhì)時，會吸收、消耗爆炸熱能，降低激波強度，這就是阻爆原理。阻爆介質(zhì)如何擴(kuò)散及在行進(jìn)中的爆炸波區(qū)域內(nèi)的物理化學(xué)機(jī)制及相關(guān)物態(tài)及參數(shù)演化過程是必須掌握的重要學(xué)術(shù)問題。

問題2：阻爆介質(zhì)的阻爆機(jī)理及其影響因素。一般中性或者惰性物質(zhì)都具有一定的阻爆效能，阻爆介質(zhì)相態(tài)上包括固、液、氣三種相態(tài)。常見的四種阻燃抑爆機(jī)理作用：基于冷卻機(jī)理的吸熱降溫作用，基于隔熱隔氧的覆蓋作用，基于消耗自由基的抑制鏈反應(yīng)機(jī)理，基于惰氣窒息的窒息稀釋作用。但是阻爆介質(zhì)的物理特性，如：惰性、粒度分布、化學(xué)特性例如、化學(xué)成分，水霧霧粒粒徑分布、表面張力等參數(shù)，以及爆炸沖擊波特性即壓力峰值及分布、傳播速度參數(shù)的選擇都影響阻爆效果發(fā)揮。選擇合適的阻爆介質(zhì)或者確定介質(zhì)物性參數(shù)即擴(kuò)散方式是提高阻爆效果必須重視的技術(shù)難題。

問題3：阻爆的關(guān)鍵是阻爆介質(zhì)與爆炸波必須在同一時空交匯，才能實現(xiàn)阻爆目標(biāo)。瓦斯爆炸波傳播和阻爆介質(zhì)發(fā)散屬于兩個流場，如何實現(xiàn)兩個流場的“同步”發(fā)射、準(zhǔn)確交匯，且保證阻爆介質(zhì)與爆炸流場完全融合，爆炸波傳播過程中有壓力、熱、聲音、光等多種信號，選擇一種或者多種信號作為觸發(fā)源信號，及時準(zhǔn)確引導(dǎo)觸發(fā)阻爆介質(zhì)發(fā)射裝置，是保證阻爆效果的核心技術(shù)。

問題4：部分幾何約束如礦車、風(fēng)障等障礙物使瓦斯爆炸產(chǎn)生激勵效應(yīng)，導(dǎo)致沖擊波局部增強，壓力、火焰速度急劇升高情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)爆轟現(xiàn)象，這種情況下必須調(diào)整阻爆介質(zhì)的釋放強度，這是保證阻爆效果的重要保證。

問題5：從研究手段上瓦斯爆炸阻爆的幾何尺度效應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)、點火等現(xiàn)象是非線性的，采用不同幾何尺度管道得到的阻爆效果存在差異或完全不同。因此，小尺度管道的研究結(jié)果不能直接推廣到大尺度管道，伴隨非線性化學(xué)反應(yīng)的爆炸現(xiàn)象不完全遵守流體力學(xué)實驗的幾何相似律。

問題6：阻爆技術(shù)的工程應(yīng)用。阻爆技術(shù)價值在于應(yīng)用，一是研發(fā)具有普適性的適應(yīng)于煤礦環(huán)境的阻爆彈；二是從工程應(yīng)用角度，研發(fā)阻爆介質(zhì)發(fā)射裝置，確保發(fā)生準(zhǔn)確、有效。

上述6個問題中1、2屬于學(xué)術(shù)問題，3、4、5屬于技術(shù)問題，6則是在前面研究基礎(chǔ)上的具體實施。圍繞這些問題，各方學(xué)者開展了大量研究。

2 主動式阻爆技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 阻爆研究試驗平臺

在國內(nèi)方面，目前建立了多個尺度不一、功能齊備的瓦斯爆炸科學(xué)研究平臺，為瓦斯爆炸阻爆技術(shù)研究提供試驗條件。周世寧、林伯泉等[5]在中國礦業(yè)大學(xué)建立了煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室，配備了復(fù)雜管網(wǎng)爆炸實驗裝置、動態(tài)火焰速度和壓力測量系統(tǒng)、點火裝置、20升標(biāo)準(zhǔn)粉塵爆炸容器、光譜分析儀和紋影儀等，為研究瓦斯(煤塵)爆炸傳播提供多尺度研究平臺。西安科技大學(xué)、華北科技學(xué)院等高校建立了瓦斯(煤塵)爆炸試驗裝置(圖2)；中煤科工集團(tuán)重慶研究院設(shè)有瓦斯煤塵爆炸防治技術(shù)研究室，在國內(nèi)最早開展了全尺寸阻爆模擬試驗[6]。北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室和南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國防科技重點實驗室，分別從數(shù)值計算和模型實驗角度，研究了氣體和可燃粉塵卷揚與爆炸以及容器泄爆機(jī)理等問題[7,8]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院的國家火災(zāi)重點實驗室建有模擬裝置，開發(fā)了相應(yīng)軟件，開展了可燃性氣體和粉體爆炸阻爆物理過程相關(guān)研究[9]。眾多學(xué)者圍繞瓦斯、煤塵、瓦斯(煤塵)爆炸阻爆介質(zhì)、阻爆機(jī)理、尺度效應(yīng)對阻爆效果影響等開展了相關(guān)研究[10-18]。

圖1 華北科技學(xué)院管狀爆炸實驗裝置

在國外，Gexcon公司(挪威)是歐洲評估爆炸安全(尤其是海洋采油平臺)主要研究機(jī)構(gòu)，研發(fā)的計算軟件(FLACS)可給出不同尺度和初始條件的瞬時壓力、流速和火焰等結(jié)果。全尺寸實驗?zāi)M可給出爆炸過程“全圖”。研究領(lǐng)域包括爆炸云霧形成、氣體爆炸(特別是開口管道)、氫安全、云霧爆炸、粉塵爆炸、爆炸抑制和防治、沖擊波傳播和變壓器爆炸[19]。英國Wales大學(xué)爆炸和沖擊波研究中心從燃燒物理學(xué)入手研究各種氣體、粉塵爆炸產(chǎn)生和防治問題[20]。研究領(lǐng)域包括湍流燃燒、激波誘導(dǎo)點火及其向爆轟轉(zhuǎn)變、非均相介質(zhì)爆轟、爆炸抑制和瞬態(tài)爆炸載荷作用下的管道響應(yīng)等。實驗設(shè)備有各種尺度激波和爆轟管道、壓力與火焰速度測量和數(shù)據(jù)采集、熱線和激光多普勒測速儀等。澳大利亞新南威爾士大學(xué)、波蘭工業(yè)大學(xué)開展了瓦斯爆炸阻爆技術(shù)相關(guān)研究[21,22]。

2.2 瓦斯爆炸阻爆介質(zhì)及阻爆效果研究

阻爆介質(zhì)是實現(xiàn)瓦斯爆炸阻爆基礎(chǔ)要素。從相態(tài)上看，氣、液、固三個相態(tài)均發(fā)現(xiàn)了一批介質(zhì)對瓦斯爆炸、煤塵爆炸、瓦斯(煤塵)混合爆炸有抑制作用。氣態(tài)包括CO2、N2等惰性氣體，液態(tài)最常用的是水(H2O)，固體主要各種惰性物質(zhì)的粉狀顆粒(巖石、粉煤灰等)。惰氣抑爆中，添加惰性氣體能夠降低可燃?xì)馀c氧氣的濃度，起到物理稀釋作用，而且在瓦斯爆炸過程中具有一定的吸熱降溫作用。陳曉坤等研究了CO2對礦井多組分可燃性氣體的阻爆特性[23]。雷柏偉等研究了N2和CO2氣體滅火劑在抑制瓦斯爆炸火焰特性方面的不同，CO2抑爆效果更明顯[24]。水系抑爆中，細(xì)水霧抑爆應(yīng)用最廣，細(xì)水霧具有較高的熱容，可以吸熱降溫，汽化后水蒸氣作為惰性組分，水能夠消耗中間活性自由基，減緩?fù)咚贡ㄦ準(zhǔn)椒磻?yīng)速率。另外學(xué)者在細(xì)水霧中添加具有化學(xué)滅火性能的、易溶于水的無機(jī)鹽等添加劑，有效增強抑爆作用。李永懷[6]、余明高[25]、鄧軍[26]等多人進(jìn)行了細(xì)水霧抑制瓦斯(煤塵)爆炸阻爆試驗，發(fā)現(xiàn)了霧滴大小及單位面積分布影響阻爆效果。 羅振敏等研究氣溶膠、鹽類活化水霧對甲烷爆炸特性的影響及物理機(jī)制[27]。賈海林等研究了含NaCl 超細(xì)水霧對不同阻塞率管道爆炸阻爆效果[28]。周西華等在大直徑瓦斯爆炸試驗管道系統(tǒng)研究了隔爆水幕抑制瓦斯爆炸的有效性[14]。粉體抑爆中，粉體材料主要分為無機(jī)物、有堿金屬和高分子材料幾類。粉體材料可起到吸熱降溫與隔熱隔氧的阻離覆蓋作用，根據(jù)具體粉體性質(zhì)往往還具有化學(xué)滅火抑爆性質(zhì)，在短時間內(nèi)能夠有效截獲、吸附、轉(zhuǎn)化、消耗爆炸反應(yīng)中的活性自由基數(shù)量，終止爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)地進(jìn)行。羅振敏等發(fā)現(xiàn)了Mg(OH)2、NH4H2PO4粉體的吸熱分解熱效應(yīng)是阻爆的重要原因[29]，王信群等開展了超細(xì)ABC、SiO2、Mg(OH)2等超細(xì)粉體云幕抑制體積分?jǐn)?shù)為 9.5%的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象[30]。

此外，有部分學(xué)者對多孔材料如金屬絲狀多孔介質(zhì)、泡沫填充物等材料開展了阻爆抑爆特性研究。多孔材料因其特殊的空間結(jié)構(gòu)具有孔隙率大、比表面積大、抗沖擊力等特點，可以有效削弱沖擊波與燃燒波，起到淬熄火焰、削弱爆炸能量、隔離保護(hù)的作用。周尚勇等發(fā)現(xiàn)具有不同磁性的Cu、Al、Ni、Fe 金屬絲對9.5%CH4具有阻爆效果[31]，陳鵬、黃福軍等發(fā)現(xiàn)多孔材料對封閉管道內(nèi)甲烷-空氣爆炸傳播有阻爆作用[32]。聶百勝、溫小萍等對SiC、Al2O3泡沫陶瓷開展研究發(fā)現(xiàn)泡沫陶瓷能夠一定程度上淬熄爆炸火焰、削弱壓力波的傳播[33]。為了達(dá)到更為有效地阻爆抑爆效果，兩相協(xié)同抑爆具有廣闊應(yīng)用前景。例如氣-固、氣-液抑爆介質(zhì)的相互結(jié)合，彌補單一介質(zhì)的不足，充分發(fā)揮彼此的優(yōu)勢，使介質(zhì)材料的阻隔爆性能得到大幅提升。綜上可知，阻爆介質(zhì)種類繁多，可通過優(yōu)化阻爆介質(zhì)物性參數(shù)、多種介質(zhì)組合來提高阻爆效果。

2.3 瓦斯爆炸阻爆機(jī)理研究

煤礦瓦斯爆炸阻爆分主動型和被動型兩類方法。主動式阻爆是在檢測到爆炸信號后在極短的時間內(nèi)對爆炸波噴射阻爆劑，強爆燃的沖擊波和火焰面?zhèn)鞑ニ俣瓤?幾十到幾百m/s)，因此，控制阻爆劑噴射的快速閥門響應(yīng)時間應(yīng)為ms量級。90年代初，Gexcon開展了利用噴水抑制管道瓦斯和丙烷爆炸的大尺度實驗研究、小尺度實驗用于機(jī)理研究。結(jié)果表明：噴水引起的湍流效應(yīng)會加速早期火焰?zhèn)鞑?，水滴破碎也會加速周圍的火焰，原因是這些過程加劇了流場的湍流效應(yīng)。由此可知不合理的設(shè)計噴水系統(tǒng)和參數(shù)反而達(dá)不到阻爆目的。從兩相流理論看，沖擊波在兩相介質(zhì)中的傳播逐漸衰減。這是由于加速波后的液滴或顆粒需要消耗沖擊波能量。就消波而言，當(dāng)沖擊波到達(dá)前噴射固體或液體抑制劑，可形成較均勻和高濃度的抑制劑/空氣混合物。此時兩相介質(zhì)中的沖擊波強度不斷下降，波后的壓力和溫度也降低，從而實現(xiàn)消波阻燃目的。所選擇的阻爆劑，應(yīng)在基元反應(yīng)層次抑制爆炸的鏈反應(yīng)，消耗爆炸反應(yīng)中最活躍的自由基。英國Wales 大學(xué)爆炸和沖擊波研究中心Thomas等人系統(tǒng)地開展了水霧阻爆機(jī)理研究[34-37]，并做出了杰出貢獻(xiàn)。借助流場顯示和數(shù)值模擬，Schwer等人[38]還研究了水滴和玻璃珠粉末對沖擊波衰減的影響，對H2/O2/Ar爆轟抑制機(jī)理，徐景德、徐勝利等人[39,40]初步開展了阻爆劑種類、噴射參數(shù)(如延時、壓力等)影響的研究。結(jié)果表明：同實驗條件下測得CO2對氣相爆轟抑制效果最好。機(jī)械阻爆和采用吸爆材料等被動式防治方法，抑制效果較差。

2.4 遠(yuǎn)距離非接觸式阻爆技術(shù)研究的啟發(fā)

近年來，消防行業(yè)在遠(yuǎn)距離火災(zāi)撲滅方面做了很多探索。滅火彈作為一種新型滅火設(shè)備，憑借其滅火范圍可控、安全高效的特點，近些年來在森林草原火災(zāi)、高層建筑及高危場所滅火工作中得到了廣泛關(guān)注。根據(jù)滅火介質(zhì)材料的不同，滅火彈大致劃分為炸藥式滅火彈、粉基式滅火彈、水系滅火彈、化學(xué)試劑類滅火彈，目前常用的滅火彈發(fā)射裝置主要有電磁彈射、氣動發(fā)射、火箭發(fā)射、飛機(jī)投擲四種方式[41]。為了提高滅火彈的滅火效果，學(xué)者們首先從觸發(fā)方式及滅火介質(zhì)等角度開展了相關(guān)研究，趙浩合[42]研制出一種可自主探測火場信息且能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制起爆的新型智能迫擊炮滅火彈；廖穎[43]研制出一種可以準(zhǔn)確控制滅火彈引爆高度的紅外光電滅火彈；蔣耀港[44]提出了一種基于激波-介質(zhì)耦合滅火系統(tǒng)的冷激波滅火技術(shù)。除此之外，學(xué)者們還重點圍繞影響滅火彈滅火效果的控制因素開展了諸多研究，李云峰[45]利用fluent開展了發(fā)射器首孔距與排氣孔孔徑形成的壓力場對滅火彈殼體預(yù)制孔槽的破裂規(guī)律研究；陳玉昆[46]采用ANSYS/Auto Dyna研究了不同滅火彈彈體形狀及中心裝藥結(jié)構(gòu)對滅火劑拋撒作用的影響；黃天[47]等開展了滅火彈外表面預(yù)制破片溝槽對殼體的爆炸破碎效果進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明預(yù)制溝槽深度對偏心起爆條件下的破碎均勻性有顯著影響。滅火彈及發(fā)射裝置的成功給阻爆彈為核心的新型阻爆技術(shù)研發(fā)帶來重要啟示。

3 存在問題及解決措施

(1) 瓦斯爆炸阻爆涉及DDT逆向過程伴隨著激波、湍流和燃燒的復(fù)雜非定?，F(xiàn)象，而湍流和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用在理論上仍然缺乏系統(tǒng)性的理論分析。目前研究方法主要是實驗研究，數(shù)值模擬方法可以作為輔助方法，主要模擬不同工況的阻爆過程，對實驗研究加以驗證或補充難以實現(xiàn)完成的部分。

(2) 阻爆介質(zhì)的阻爆性能研究取得豐碩研究成果。目前阻爆介質(zhì)的阻爆機(jī)理研究，基本上基于統(tǒng)計分析模式下獲得的，綜合分析可知，不同的試驗平臺對同一種物質(zhì)，阻爆效果差別很大，這說明我們還沒有真正掌握阻爆介質(zhì)阻爆的物理化學(xué)機(jī)制，必須借助現(xiàn)代分析技術(shù)進(jìn)一步開展相關(guān)實驗，掌握氣液固三種相態(tài)的惰性物質(zhì)阻爆原理及其影響因素，為新型阻爆技術(shù)提供物質(zhì)支持。

(3) 阻爆裝置的傳統(tǒng)觸發(fā)方式已經(jīng)不能適應(yīng)于現(xiàn)代生產(chǎn)環(huán)境，近年來研究的主動式阻爆觸發(fā)裝置，采用的光電傳感裝置、聲電傳感裝置，借助爆炸波發(fā)出的聲光信號觸發(fā)，實際上很難發(fā)揮作用，因為其防爆裝置還是傳統(tǒng)的巖粉(水)棚，其觸發(fā)到啟動并形成霧狀物，時間一般會超過1 s以上，大大超過爆炸波到達(dá)時間，失去阻爆作用。智能化礦井開采模式，為新型觸發(fā)技術(shù)研發(fā)提供了契機(jī)，智能化煤礦使用了數(shù)量巨大、種類齊全、覆蓋全礦井的傳感器，可以采集全礦井的風(fēng)速、瓦斯、可見光等物理信號，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與5G技術(shù)使用可以及時采集、處理與傳輸信號，利用這一優(yōu)勢主動跟蹤爆炸波，通過云計算判斷爆炸波相關(guān)信息，主動發(fā)射阻爆彈，干涉爆炸流場，是現(xiàn)代阻爆技術(shù)的主要思路。

圖2 井下自動隔爆裝置

(4) 新一代主動式阻爆系統(tǒng)的構(gòu)想

綜上所述，未來基于智能化開采模式的主動式阻爆系統(tǒng)其模式應(yīng)該為：以阻爆彈及其發(fā)射裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的巖粉棚(水槽棚)抑爆裝置，以商品化的激光紋影系統(tǒng)為監(jiān)測模型，以礦井智能化信息系統(tǒng)為平臺，通過5G系統(tǒng)下的物聯(lián)網(wǎng)為信息控制手段，監(jiān)測爆炸波本固有的光譜和火焰、壓力信號，實現(xiàn)阻爆彈發(fā)射和爆炸波傳播的動態(tài)耦合，達(dá)到阻爆目的。

4 結(jié)論

(1) 通過技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)需要兩個方面分析了傳統(tǒng)的巖粉棚(水槽棚)阻爆系統(tǒng)的缺陷，從阻爆裝置、阻爆介質(zhì)、觸發(fā)機(jī)理等三個方面概述了煤礦瓦斯阻隔爆技術(shù)研究現(xiàn)狀。

(2) 總結(jié)了煤礦瓦斯阻爆研究在阻爆機(jī)理、研究方法及觸發(fā)機(jī)制方面存在的關(guān)鍵技術(shù)難題，提出借助數(shù)值模擬方法、現(xiàn)代分析技術(shù)、超前探測預(yù)警觸發(fā)等技術(shù)進(jìn)行有效解決的方法。

(3) 阻爆裝置的傳統(tǒng)觸發(fā)方式已不能適應(yīng)于現(xiàn)代生產(chǎn)環(huán)境，應(yīng)結(jié)合先進(jìn)傳感器與5G技術(shù)發(fā)展智能化礦井，結(jié)合滅火彈及發(fā)射裝置的優(yōu)勢研發(fā)能用于煤礦井下的以阻爆彈為核心的新型主動式瓦斯爆炸阻爆技術(shù)。